中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
T03组供稿
第28期
2013年07月02日
强关联拓扑绝缘体SmB6的电子结构研究取得进展
   拓扑绝缘体是近年来凝聚态物理的研究热点之一。这类材料不同于传统的“金属”和“绝缘体”,其体内部为有能隙的绝缘态,其表面则是无能隙的金属态。这种金属表面态是由其内在电子结构拓扑性质决定的,受时间反演不变性的保护,因而受缺陷、杂质等外界影响较小。目前,理论上预言的拓扑绝缘体都是半导体材料,电子间的关联效应较小,理论分析相对较为简单。而能否在强关联材料体系中发现新的拓扑绝缘体材料,则是理论上非常关心的问题,因为强关联拓扑绝缘体的发现将带来许多全新的理论问题,如不同拓扑有序态之间的拓扑相变、电子-电子相互作用是否能改变电子结构的拓扑指数等等。
   最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)戴希研究员、方忠研究员、翁红明副研究员和博士后卢峰、赵建洲在强关联拓扑绝缘体研究方面取得进展。他们利用Gutzwiller 变分法结合第一性原理计算研究了典型的混合价态化合物SmB6。在考虑f 电子强关联效应下,得到了该材料的能带结构、原子多重态结构等,以及在(001)方向上的表面态。研究发现,f 电子的关联效应对能带的修正主要表现在下面两点: (1)4f 的j = 7/2 能带被推到了费米面以上4eV 左右,而费米面附近主要由4f 的j = 5/2 和5d 电子占据;(2) 由4f轨道形成的准粒子能带的带宽减小到了不足0.1eV。在考虑了4f 电子的关联效应后,并没有破坏该材料的拓扑性质,其Z2 拓扑不变量为(1;111),说明这是一种三维强拓扑绝缘体材料。与已知的拓扑绝缘体不同,SmB6 在其(001)表面态有三个狄拉克点,该现象可以引起新的物理现象,比如独特的准粒子干涉图像、独特的磁输运性质等。相关研究得到国家自然科学基金委员会和科技部有关基金的支持。这一研究成果已发表在最近出版的物理评论快报Phys. Rev. Lett. 110, 096401 (2013) 上。
Figure 1: SmB6 晶体结构和对应的布里渊区、高对称点
Figure 2: 在考虑自旋轨道耦合效应下,分别由LDA(a,b) 和LDA+Gutzwiller(c,d)方法得到的能带结构
Figure 3: SmB6 在(001) 方向的表面态,内图是(001) 方向表面态的费米面